產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在礦業(yè)球磨機(jī)上的應(yīng)用
1 引言
長期以來,礦業(yè)粉磨工藝中普遍采用球磨機(jī)研磨原料,一般都是采用液力耦合器啟動(dòng),啟動(dòng)電流大對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)的沖擊較大,同時(shí)工頻時(shí)易造成物料過度研磨,研磨周期長,研磨效率低,單位產(chǎn)品功耗較大,這就促使人們?nèi)パ兄茊?dòng)平滑,研磨效率高、產(chǎn)量大、能耗底的球磨機(jī)控制系統(tǒng),而變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果,改善設(shè)備的運(yùn)行工況,提高系統(tǒng)的安全可靠性,延長設(shè)備使用壽命等優(yōu)點(diǎn),已成為現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向,但是在傳統(tǒng)粉磨工藝中最主要的設(shè)備球磨機(jī)中,采用變頻調(diào)速傳動(dòng)控制其本上還是空白。
2工藝概述
球磨機(jī)主要用于選礦、陶瓷、化工、水泥、玻璃耐火材料等行業(yè)。球磨機(jī)分為干濕兩種,干式用于耐火材料、水泥、化肥、玻璃行業(yè),濕式用于選礦、陶瓷、化工行業(yè)等。
礦粉球磨機(jī)由給料部、出料部、回轉(zhuǎn)部、傳動(dòng)部(減速機(jī),小傳動(dòng)齒輪,電機(jī),電控)等主要部分組成。球磨機(jī)具有一個(gè)水平放置的回轉(zhuǎn)圓筒,球磨機(jī)的筒體用隔倉板分成2~5個(gè)室,在各個(gè)室內(nèi)裝有一定形狀和大小的研磨體。研磨體一般為鋼球或鋼段,在棒磨機(jī)的粗磨倉研磨體內(nèi)為鋼棒。當(dāng)球磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),物料與研磨體混合,在離心力和與筒體內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦力的作用下被帶到一定的高度,在重力的作用下自由下落,落下的研磨體沖擊底部的物料把物料擊碎。在磨機(jī)回轉(zhuǎn)時(shí),研磨體還有滑動(dòng)和滾動(dòng)現(xiàn)象,這樣,物料于研磨體之間產(chǎn)生摩擦,將物料磨碎。 球磨機(jī)一般以固定轉(zhuǎn)速運(yùn)行,筒體的轉(zhuǎn)速是由皮帶輪或齒輪減速機(jī)構(gòu)(也有用液力耦合器)決定的。球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速直接影響到鋼球和物料的運(yùn)動(dòng)狀況及物料的研磨過程,在不同的轉(zhuǎn)速下,筒體內(nèi)的鋼球和物料的運(yùn)動(dòng)狀況如圖1所示。
圖1 不同的轉(zhuǎn)速下,筒體內(nèi)的鋼球和物料的運(yùn)動(dòng)狀況示意圖
球磨機(jī)筒體的轉(zhuǎn)速,對(duì)粉碎作用和磨機(jī)產(chǎn)量影響也很大,當(dāng)筒體轉(zhuǎn)速過低時(shí),筒體不能將研磨體帶到一定的高度,沖擊物料的作用很小。反之,若筒體的轉(zhuǎn)速過大,轉(zhuǎn)速超過“臨界轉(zhuǎn)速”時(shí),研磨體在其慣性離心力的作用下貼附在筒體上,與筒體一起作圓周運(yùn)動(dòng),也根本起不到對(duì)物料的沖擊作用。只要當(dāng)筒體的轉(zhuǎn)速適宜時(shí)(以“臨界轉(zhuǎn)速”的60%~70%),研磨體拋出后,才能獲得最大的降落高度,對(duì)物料產(chǎn)生較大的沖擊效果。
3常用控制方式與變頻控制方式的優(yōu)劣對(duì)比
目前球磨機(jī)普遍采用的是液力耦合器啟動(dòng),該方式存在
(1)啟動(dòng)電流大,對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)的沖擊很大。
(2)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性差,維護(hù)量和耗電量巨大。
(3)所需的研磨周期較長、研磨效率低,單位產(chǎn)品功耗大,同時(shí)易造成物料的過渡研磨,增加了生產(chǎn)廠家的維護(hù)成本,造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。
球磨機(jī)使用變頻調(diào)速后,具有以下優(yōu)勢:
(1)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的軟啟動(dòng),啟動(dòng)電流大大減小,比之前的工頻控制小3~5倍,消除了啟動(dòng)時(shí)的沖擊,延長了機(jī)械部件的使用壽命,減少了設(shè)備的維護(hù)量及維護(hù)費(fèi)用。
(2)降低了對(duì)電網(wǎng)及周邊設(shè)備的沖擊,利用變頻矢量調(diào)速技術(shù)拖動(dòng),滿足了球磨機(jī)低速運(yùn)行、大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn),有效保證系統(tǒng)的控制工藝。
(3)優(yōu)越的無級(jí)變速功能,改變了過去的固定速度研磨方式,大大優(yōu)化研磨效率和研磨物體的均勻度。
(4)系統(tǒng)具有完善的超溫、缺相、短路、過電壓、過電流等各種保護(hù)功能,全中文觸摸屏幕,可直觀準(zhǔn)確的查看設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)。
4用戶情況介紹
烏海市長宏礦業(yè)有限公司位于烏海市卡布其鎮(zhèn),是一家主要生產(chǎn)石灰粉及脫硫粉的礦業(yè)公司,因生產(chǎn)需要增加一套球磨機(jī)系統(tǒng)。球磨機(jī)電機(jī)參數(shù)如表1所示。
該公司領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過調(diào)研,為了降低生產(chǎn)成本,提高球磨機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率,決定采用高壓變頻器改造球磨機(jī)。
表1 電機(jī)參數(shù) | |||
型號(hào) | YR800-8/1180 | 功率 | 800kW |
額定電壓 | 10kV | 額定電流 | 56.2A |
功率因數(shù) | 0.86 | 額定頻率 | 50Hz |
球磨機(jī)系統(tǒng)是全礦的生產(chǎn)中樞,一旦球磨機(jī)電機(jī)不能正常工作,將造成全礦停產(chǎn),且會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。另外高壓變頻器須安裝在環(huán)境相當(dāng)惡劣,粉塵比較多,因此要求高壓調(diào)速系統(tǒng)具有極高的可靠性、穩(wěn)定性、防護(hù)性,變頻器應(yīng)具有矢量控制功能,滿足球磨機(jī)重載啟動(dòng)。
經(jīng)過對(duì)國內(nèi)外各種高壓變頻器調(diào)研、比較,長宏礦業(yè)領(lǐng)導(dǎo)選擇了新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP38-900F型(900kW/10kV)高壓變頻器作為球磨機(jī)電機(jī)的控制設(shè)備。改造取得了成功。
5新風(fēng)光JD-BP38-900F高壓變頻器基本性能
根據(jù)現(xiàn)場情況,需要使用高壓變頻器實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)系統(tǒng)的軟啟動(dòng)和調(diào)速運(yùn)行,要求變頻器矢量控制技術(shù),滿足球磨機(jī)重載啟動(dòng),要求變頻器具有高可靠性。
新風(fēng)光電子有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-900F 高壓變頻器(900kW/10kV)技術(shù)參數(shù)如表2所示。
長宏礦業(yè)選用的新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的JD-BP38-900F高壓變頻器,對(duì)球磨機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制。該系列高壓變頻器具有以下特點(diǎn):
(1)采用完美無諧波的單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),具有較低的電網(wǎng)電流諧波,滿足電網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的嚴(yán)格要求,輸出線電壓為33電平,無需使用輸出濾波器,可采用普通異步電動(dòng)機(jī)。
(2)采用無速度傳感器矢量控制方式,啟動(dòng)力矩大,并有效避免由于負(fù)載波動(dòng)導(dǎo)致的變頻器過流故障。
(3)可配置2倍以上電流過載能力,可滿足系統(tǒng)的重載啟動(dòng)要求。
(4)風(fēng)光高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)電壓的適應(yīng)范圍寬(-65%~115%Un),提高了抗電網(wǎng)波動(dòng)能力,大大提高產(chǎn)品在煤礦球磨機(jī)應(yīng)用現(xiàn)場的可靠性。
(5)振蕩抑制技術(shù),采用優(yōu)越的電流算法,有效地抑制輕載電機(jī)電流的振蕩,保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。
(6)快速飛車啟動(dòng)技術(shù),特別適用于變頻保護(hù)后的重新啟動(dòng),可實(shí)現(xiàn)變頻器在0.1s之內(nèi)從保護(hù)狀態(tài)復(fù)位重新帶載運(yùn)行。
(7)電網(wǎng)瞬時(shí)掉電重啟技術(shù),電網(wǎng)瞬間掉電可自動(dòng)重啟;
(8)星點(diǎn)漂移技術(shù),檢測到單元故障后,可在100us之內(nèi)將單元旁路,執(zhí)行星點(diǎn)漂移技術(shù),保持輸出線電壓平衡,最大程度提高電壓利用率。
(9)輸出電壓自動(dòng)穩(wěn)壓技術(shù),變頻器實(shí)時(shí)檢測各單元母線電壓,根據(jù)母線電壓調(diào)整輸出電壓,從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)壓功能。
(10)故障單元熱復(fù)位技術(shù),若單元在運(yùn)行中故障,且變頻器對(duì)其旁路繼續(xù)運(yùn)行,此時(shí)可在運(yùn)行中對(duì)故障單元進(jìn)行復(fù)位,不必等變頻器停機(jī)。
(11)多種控制方式,可選擇本機(jī)控制、遠(yuǎn)控盒控制、DCS控制、上位機(jī),支持MODBUS、PROFIBUS等通訊協(xié)議,頻率設(shè)定可以現(xiàn)場給定、通訊給定等,支持頻率預(yù)設(shè)、加減速功能;
(12)單元直流電壓檢測:實(shí)時(shí)顯示檢測系統(tǒng)的直流電壓,從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的優(yōu)化控制,降低諧波含量,保證輸出電壓的精度,提升系統(tǒng)控制性能,并可使保證運(yùn)行維護(hù)人員實(shí)現(xiàn)對(duì)功率單元運(yùn)行狀況的全面把握。
(13)具備突發(fā)相間短路保護(hù)功能。如果由于設(shè)備原因及其他原因造成輸出短路,此時(shí)如果變頻器不具備相間短路保護(hù)功能,將會(huì)導(dǎo)致重大事故。變頻器在發(fā)生類似問題時(shí)能夠立即封鎖變頻器輸出,保護(hù)設(shè)備不受損害,避免事故的發(fā)生。
(14)限流功能:當(dāng)變頻器輸出電流超過設(shè)定值,變頻器將自動(dòng)限制電流輸出,避免變頻器在加減速過程中或因負(fù)載突然變化而引起的過流保護(hù),最大限度減少停機(jī)次數(shù)。
(15)故障自復(fù)位功能:當(dāng)變頻器由于負(fù)載突變?cè)斐蓡卧蚴钦麢C(jī)過電流保護(hù)時(shí),可自動(dòng)復(fù)位,繼續(xù)運(yùn)行。
6 特殊控制功能
單元旁路功能可自動(dòng)、快速地切除出現(xiàn)故障單元而保證系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行或降額運(yùn)行。高壓變頻器正常運(yùn)行中,若某相中有個(gè)單元出現(xiàn)過流或過壓故障,系統(tǒng)將會(huì)在最短時(shí)間內(nèi)將該單元旁路,為了滿足現(xiàn)場工藝需要,采用中性點(diǎn)偏移技術(shù)進(jìn)行處理,保證輸出線電壓仍保持三相對(duì)稱,同時(shí)最大程度提高了電壓利用率。該技術(shù)使單元串聯(lián)多電平變頻器的可靠性得到很大提高。
(2)瞬時(shí)停電再啟動(dòng)功能
該功能主要應(yīng)用于主電源發(fā)生短時(shí)失電或欠壓以及現(xiàn)場兩路主電源互相切換時(shí),保證變頻器不停機(jī),當(dāng)電源恢復(fù)后重新投入工作的功能。該功能滿足主電源3~10s的欠壓或失電(該值可以進(jìn)行設(shè)置)。具體實(shí)現(xiàn)該功能的電路如圖2所示。瞬時(shí)停電再啟動(dòng)功能波形如圖3所示。
圖2瞬停電路構(gòu)成電路圖
圖3瞬時(shí)停電再啟動(dòng)功能波形
在高壓變頻器的應(yīng)用中,有許多場合都要用到“飛車啟動(dòng)”功能。如下面幾種場合就要用到此功能:轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較大的場合,典型負(fù)載如風(fēng)機(jī);或者對(duì)于一拖多的場合,有時(shí)會(huì)用到工頻轉(zhuǎn)變頻的場合,也需要“飛車啟動(dòng)”。
高壓變頻器的“飛車啟動(dòng)”是否成功關(guān)鍵是輸出和轉(zhuǎn)子速度(頻率)相同的頻率。而電機(jī)轉(zhuǎn)子頻率是隨機(jī)的,為此必須進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的搜索,即“飛車啟動(dòng)”開始先搜索電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,搜索到電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速后,變頻器再按搜索到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來輸出頻率。這樣,既不會(huì)出現(xiàn)過流、也不會(huì)出現(xiàn)電容電壓泵升過壓的現(xiàn)象。
該功能主要實(shí)現(xiàn)大功率電機(jī)軟啟動(dòng)的功能。應(yīng)用鎖相環(huán)技術(shù),使變頻器輸出電壓與工頻電網(wǎng)電壓同頻、同相位時(shí)將電動(dòng)機(jī)以最小電流切換至工頻電源。切換電流不超過額定電流的1.5倍,能夠完全滿足大功率電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)要求。無擾并網(wǎng)控制示意圖如圖4所示。
圖4無擾并網(wǎng)控制示意圖
該功能主要是實(shí)現(xiàn)當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí),自動(dòng)將電機(jī)切換到工頻運(yùn)行,或者變頻器具備運(yùn)行條件后,又可自動(dòng)使電機(jī)從工頻狀態(tài)自動(dòng)切換到變頻狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)該功能,要求變頻器的控制方式具備自動(dòng)切換功能。
7球磨機(jī)變頻主回路接線圖
現(xiàn)場采用1套新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的JD-BP38-900F高壓變頻調(diào)速系統(tǒng),采用“一拖一”控制。為防止變頻器檢修或故障對(duì)生產(chǎn)的影響,高壓變頻器配置手動(dòng)工頻旁路。一次接線如圖5所示:
圖5 手動(dòng)旁路柜一次回路圖
旁路柜中,共有3個(gè)高壓隔離開關(guān),為了確保不向變頻器輸出端反送電,K2與K3采用機(jī)械互鎖操動(dòng)機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)機(jī)械互鎖。當(dāng)K1、K2閉合,K3斷開時(shí),電機(jī)變頻運(yùn)行;當(dāng)K1、K2斷開,K3閉合時(shí),電機(jī)工頻運(yùn)行,此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來,便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。
旁路柜必須與上級(jí)高壓斷路器DL連鎖,DL合閘時(shí),絕對(duì)不允許操作旁路隔離開關(guān)與變頻輸出隔離開關(guān),以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象,確保操作人員和設(shè)備的安全。
故障分閘:將變頻器“高壓分?jǐn)唷毙盘?hào)與旁路柜“變頻投入”信號(hào)串聯(lián)后,并聯(lián)于高壓開關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下,當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí),分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入;旁路投入狀態(tài)下,變頻器故障分閘無效。
保護(hù):保持原有對(duì)電機(jī)的保護(hù)及其整定值不變。
8球磨機(jī)變頻器調(diào)試使用注意事項(xiàng)
球磨機(jī)變頻器在調(diào)試時(shí)需要注意以下事項(xiàng):
(1)因球磨機(jī)的負(fù)載性質(zhì)是恒轉(zhuǎn)矩類,機(jī)械特性較硬,動(dòng)態(tài)特性要求較高,所以應(yīng)選用變頻器的矢量控制功能,V/F控制在低速時(shí)雖然具有轉(zhuǎn)矩提升功能,但提升不足,電機(jī)轉(zhuǎn)矩可能無法滿足起動(dòng)或低速穩(wěn)速運(yùn)行的需要,如果提升過大,又可能使因磁路飽和而過流。
(2)球磨機(jī)現(xiàn)場,粉塵較多,因此變頻器周圍應(yīng)留足夠的空間,保證良好的通風(fēng),現(xiàn)場需安裝在通風(fēng)良好,遠(yuǎn)離熱源和塵埃少的地方。
(3)在調(diào)試正常投運(yùn)一段時(shí)間后,應(yīng)對(duì)主回路接線等主要部位,進(jìn)行巡檢,并定期除塵,避免由于灰塵積累過多,影響變頻器的正常運(yùn)行。
9結(jié)束語
烏海長宏礦業(yè)球磨機(jī)變頻器至2016年10月投運(yùn)以來,至今運(yùn)行正常。改造取得了預(yù)期目的。經(jīng)過礦節(jié)能中心測算,變頻器節(jié)電達(dá)25.2%,節(jié)能效果明顯。高壓變頻器可以根據(jù)磨內(nèi)原料的粉碎情況準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,提高了球磨機(jī)的運(yùn)行效率,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。隨著我國“十三五”對(duì)節(jié)能減排工作的日益重視,新風(fēng)光變頻器用于高壓大功率、高能耗設(shè)備節(jié)電效果顯著,而且性能穩(wěn)定、可靠性高,具有重要的推廣意義。